磁头/磁盘系统气体稀薄效应的影响与数值分析

结合理论和数值计算分析了稀薄效应对磁头／磁盘系统纳米间隙润滑的影响。从膜厚的角度来看,低于气体分子平均自由程的比例并不大。而从膜厚和压力2方面来看,处于稀薄效应区域的比例将大大增加。实际的磁头／磁盘系统中,磁头的大部分仍工作在稀薄气体的滑流区域,离稀薄气体的过渡区还较远。考虑稀薄效应后,磁头／磁盘系统的重要工作性能参数,都有减小的趋势。     

磁头/磁盘超薄气膜润滑动特性计算与分析

给出了一种新的计算超薄磁头／磁盘气体润滑压力的差分算法和公式,指出了磁头偏离平衡位置的3种方式,并对超薄磁头／磁盘气体润滑问题中的动特性参数进行了计算。计算结果表明：磁头气体动压正翻刚度是影响磁头稳定的重要因素,它会使磁头越来越偏离平衡位置。     

求解磁头/磁盘超薄气膜润滑性能的有效有限差分算法

首先给出超薄气膜润滑的基本方程.通过对方程的分析指出,在纳米尺度下工作的磁头/磁盘具有轴承数很大和剪切流项含有压力的两个特点.提出对剪切流项进行主元迭代求解可压缩气体雷诺方程的新计算方法.在推导出该方法所用的差分公式和误差分析公式基础上,利用这些公式对双轨和多轨两种磁头在5 nm和10 nm下工作压力分布进行计算.计算过程表明该方法对超薄条件下的气膜润滑计算是有效的,该方法能够有效解决大轴承数条件下容易出现失稳的现象,避免计算中数值振荡的发生,成功地将普通有限差分算法用于求解大轴承数的气体润滑数值计算中.计算结果的误差分析表明:该算法对大轴承数气体润滑问题的收敛十分有效,并具有编程简单、计算速度快等优点.     

磁头承载面结构层深度对气膜润滑性能的影响

采用理论分析和数值模拟相结合的方法分析了磁头承载面结构层深度变化对气膜性能的影响.结果表明:磁头的基层和次景层深度变化对气膜的正负压承载区域的压力分布产生明显的影响.其中次景层深度的变化主要对正压产生影响,随着次景层深度的不断增加,产生正压的滑块区域压力都明显下降,特别是磁头尾端滑块处的气膜压力变化最大;而基层深度的变化对正压和负压分布都产生影响,随着基层深度变化产生正压的滑块区域压力变化较大,表现更为明显.由于磁头结构层深度变化对正、负压力分布和总气浮力的作用,从而影响气膜承载力性能.在实际磁头结构设计中可以通过优化设计确定最佳各结构层深度,达到增加磁存储容量的目的.     

安装误差对纳米间隙磁头飞行姿态的影响研究

考虑安装误差引起的磁头俯仰角误差和侧翻角误差,建立了磁头飞行数学模型,通过数值方法分析了安装误差对纳米间隙磁头飞行姿态主要参数的影响,并与试验结果进行了对比分析。结果表明,俯仰角误差对飞行高度和俯仰角有明显影响,随着俯仰角安装误差的增加,磁头飞高和俯仰角偏差增加,对侧翻角的影响可以忽略。侧翻角误差只对侧翻角有明显影响,随着侧翻角安装误差的增加,磁头飞行侧翻角偏差增加,对磁头飞行高度和俯仰角的影响可以忽略,理论分析和实验结果吻合较好。磁头设计和装配时,应控制磁头的俯仰角安装误差。     

表面粗糙度对磁头磁盘系统静特性的影响

在Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程中引入了压力流因子和剪流因子，考虑粗糙度对超薄气体膜润滑的影响。雷诺方程中综合考虑了气体的可压缩性、稀薄效应以及表面粗糙度等因素，讨论了飞浮高度在２５～５０　ｎｍ之间的高密磁盘系统在磁头磁盘都粗糙、磁头粗糙和磁盘粗糙三种情况下的承载能力及系统压强中心的变化。结果表明，粗糙度对高密磁盘系统承载能力的影响很大，粗糙度相同时，磁头粗糙的系统承载能力最好；不同粗糙度模式时，压强中心变化不大。     

稀薄效应对动压气体轴承静动特性的影响

为研究稀薄效应对微小间隙下动压气体轴承静动态特性的影响,分别采用连续模型、一阶滑移模型以及在任意克努森数下都与线性玻尔兹曼方程解有较高吻合的WU新滑移模型,基于有限体积法建立考虑稀薄效应的静动态Reynolds方程,给出3种模型下轴承静态承载力与偏心率、轴颈扰动频率与轴承动特性系数的变化关系。数值分析结果表明:随偏心率的变化,连续模型预测的静态承载力最大,一阶滑移次之,WU新滑移模型预测的值最小;随着扰动频率的增加,考虑滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数均有减小的趋势,且WU新滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数明显低于连续模型和传统的一阶滑移模型。传统连续模型和一阶滑移模型过高地估计了轴承的静动特性系数,WU新滑移模型计算的结果更为准确。     

Analysis of Rarefied Effects of a Nano-scale Magnetic Head/Disk

When the decrease in the space between magnetic head and disk arrived at 10 nm or less, which is much lower than the mean free path of gas molecules, the gas flow presents distinctive features against the macro features because of the rarefied effects. The modified Reynolds equation considering rarefied gas effect is used to calculate the rarefied region of a negative pressure magnetic head working in the distance of 10 nm. Inverse Knudsen number was adopted to calculating the ratio of the rarefied area. According to the numerical results, discussions and analyses are then presented to reveal the rarefied effect on the working performances of a magnetic head. The results show that the magnetic head works in the slip-flow and transition regions and moves to the transition region with the increase in velocity. Furthermore, the maximum rarefied effects occur at the side edges where the flying height is thinner and pressure is lower, rather than in the minimum flying height on the rear. The results also show that with considering the rarefied effects, the load-carrying capacity of the magnetic head and the maximum pressure decrease significantly, but the minimum pressure slightly changes.     

考虑稀薄气体有效黏度的微轴承弹流润滑研究

气体稀薄效应和轴瓦弹性变形对微流体设备中气体微型轴承润滑特性影响显著.根据Veijola提出的稀薄气体有效黏度模型,采用有限元法建立柔度矩阵计算轴瓦表面弹性变形量,并推导考虑有效黏度与弹性变形影响的修正Reynolds方程.通过联立求解超薄气膜润滑修正Reynolds方程、稀薄气体有效黏度方程和三维轴瓦弹性方程,分析轴...     

随机粗糙表面对微气体轴承性能的影响

采用尺度独立的分形参数表征粗糙表面,修正气体的雷诺方程,研究滑块轴承中气体薄膜在稀薄效应和粗糙度耦合作用影响下的压强分布、承载能力及承载力的主流向位置。结果表明:由于粗糙度的影响,气体轴承内的压强分布具有非线性特征,承载能力也不会简单地增大或减小,但承载力的主流向位置会变大。     

硬盘/磁头薄膜气体润滑中热效应影响分析

根据热力学理论,建立了硬盘磁头热力学分析模型,利用数值方法分析了绝热过程中热效应及热蠕流效应对磁头承载能力、飞行姿态等性能的影响,并与实验结果进行了对比分析。数值分析结果表明,绝热过程中热蠕流效应对磁头的压力分布和承载力没有明显影响,但热效应对气体黏度和磁头飞行姿态影响明显。热效应使气体黏度和承载能力增加,从而使磁头飞行高度和俯仰角增大,但对侧翻角没有明显影响。理论分析与实验结果的对比分析表明,磁头的飞行过程不是绝热过程。     

表面织构的深度影响润滑油膜承载能力的机制研究

采用基于N-S方程的CFD方法,研究最小油膜厚度为4μm时圆弧凹槽表面微织构深度的变化对动压润滑效果的影响,并深入探讨其机制。结果表明,在一定的工况条件下,凹槽深度不同,其承载性能存在一定的差异,当凹槽深度小于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐增强,当凹槽深度大于4μm时,随织构深度的增加其承载能力逐渐减弱,即深度值在4μm左右时油膜的承载能力最强。分析发现,织构深度的变化改变了润滑油流场的流动,深度增大到某个值时润滑油开始出现逆流现象,随着凹槽深度的增加,逆流区变大;逆流的存在削弱了织构的承载能力;速度不影响润滑油的流动走向,但会影响承压能力的大小;织构截面形状对润滑油的流动走向有影响,但对织构底部形成漩涡的规模大小影响不大,对润滑油膜承压能力影响不大。     

油膜润滑径向轴承的全域解模拟计算-宽轴承解

雷诺方程的适用范围一般是在微米级膜厚，对纳米级膜厚由于粘度随油膜厚度的改变而改变，粘度成为更重要的润滑剂性能指标，本文采用粘度修正广义雷诺方程求解轴承的性能，对无限宽轴承来说，可得出全域的解析解，其公式可用于任意工作条件，从而为其它轴承的计算提供依据。     

The Effect of Carbon Overcoat Thickness on the Zdol Boundary Lubricant Film

Formation of a tribologically reliable interface between the read-write head and the computer disk in hard-disk drives is accomplished by the use of a thin, wear-resistant carbon overcoat in conjunction with a molecularly-thin perfluoropolyether (PFPE) lubricant film. The intermolecular interactions that develop between the PFPE lubricant and the carbon overcoat govern the adhesion, coverage, and physical properties of the lubricant, e.g. the lubricant structure and mobility. Consequently, the molecular interactions at the lubricant-carbon interface will contribute to the overall tribological performance of the disk-drive. Due to the ever-increasing demands for storage capacity, pressure exists to reduce the separation distance between the read-write head and disk surface. One means of reducing this separation distance is to use thinner protective overcoats on both the head and disk surfaces. In this study the interactions between Fomblin Zdol and both amorphous hydrogenated (CHx) and nitrogenated (CNx) carbon overcoats were investigated as a function of overcoat thickness from 0 to 100Å. The Zdol film structure was probed by titrating the magnetic alloy, the CHx and CNx surfaces with Zdol. The molecular weight dependence of the maximum bonded Zdol thickness on these surfaces is used to deduce structural information on the adsorbed Zdol film. In progressing from CHx to CNx to the magnetic alloy, we find the Zdol boundary layer film to be characterized by an increase in average distance between the PFPE backbone and the surface, or equivalently an increase in the average Zdol monolayer thickness. On the CHx overcoat, Zdol preferentially lies more parallel to the surface, whereas on the magnetic layer, Zdol is oriented more perpendicular to the surface. When these experiments were conducted as a function of carbon overcoat thickness, we found that interaction of Zdol with the field of the underlying magnetic film becomes important at carbon film thicknesses 30Å. The dependence of the Zdol adhesion on carbon overcoat thickness was quantified by determining the Zdol film thickness dependence of both the dispersive and polar components of the Helmholtz free energy. The Zdol bonding kinetics were also studied as a function of carbon thickness.     

倾斜微孔表面气体润滑动压特性实验研究

以倾斜椭圆微孔表面为研究对象,开展了微孔排布方式对倾斜微孔气体润滑动压特性的实验研究。实验中对部分开孔、全开孔以及双列开孔3种典型分布形式倾斜微孔表面的气膜厚度和摩擦扭矩进行了测量,结果表明:倾斜微孔表面可保证摩擦配副表面迅速打开;在相同孔型几何参数条件下,微孔的排布方式对倾斜微孔表面的动压性能影响明显,部分开孔表面优于全开孔表面,而双列开孔表面的动压效果最好;转速越高,倾斜微孔结构的导向作用越明显,动压效应越强,气体润滑成膜能力越好。实验结果与理论分析一致,为多孔端面结构设计提供了实验依据。     

气液两相对机械密封润滑膜超声检测精度的影响

机械密封动环和静环之间形成的润滑膜厚度是其稳定运行的一个重要评价指标,为实现润滑膜厚度的非接触检测,根据机械密封润滑膜的特点,构建了接触式机械密封润滑膜的超声检测模型,并推导了润滑膜厚度的计算公式.指出机械密封在运行过程中会产生两相流,准确测量机械密封润滑膜的厚度,必须考虑密封介质的两相问题.引入中间变量混合因子,通过...